CN111345896A - 截骨执行系统及定位、控制和模拟执行方法与电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于初次全膝关节置换手术操作的截骨执行系统、定位方法、控制方法及模拟执行方法。一种用于初次全膝关节置换手术操作的截骨执行系统包括：人机交互装置；手术机器人，包括机械臂；截骨引导器，固定于所述机械臂的操作端，用于在进行全膝关节置换的截骨操作时对截骨工具进行定位与引导，所述截骨引导器具有容置所述截骨工具的通槽；下肢跟踪系统，用于获取股骨、胫骨的位置数据；截骨引导器跟踪系统，用于获取所述截骨引导器的位置数据；上位控制器，与所述人机交互装置、所述手术机器人、所述下肢跟踪系统、所述截骨引导器跟踪系统通信连接。根据本申请的系统能够改善关节置换手术操作的执行效果和效率。

Description

截骨执行系统及定位、控制和模拟执行方法与电子设备

技术领域

本申请涉及医疗技术领域，具体而言，涉及一种用于初次全膝关节置换手术操作的截骨执行系统、定位方法、控制方法、模拟执行方法、电子设备以及计算机可读介质。

背景技术

人工全膝关节置换(TKA，Total Knee Arthroplasty)是对膝关节疾病的一种手术治疗，将膝关节的连接表面用关节假体替换，能有效地治疗重度膝关节病痛，提高病人的生活质量。

TKA操作的影响因素包括三维立体空间上的准确截骨、韧带等软组织的平衡及稳定、关节假体安放的位置和角度等。传统手术通过机械导向装置进行髓内外定位后截骨，手术者凭肉眼、手感和经验进行截骨，手术的精确性难以得到一致性保证。

因此，开发出通过计算机辅助执行TKA操作的方案。利用计算机和手术机器人作为术前计划和精确执行计划的工具，以确保关节假体的准确定位，从而提高手术的成功率和预后效果。通常，计算机辅助手术系统包括两个部分，即截骨规划系统(术前/术中)和截骨执行系统，后者利用来自前者的规划数据来帮助外科医生精确地执行手术。

在术前规划中，一般从患者的计算机断层摄影(CT)或磁共振成像(MRI)图像数据集生成患者的骨骼解剖结构的3D模型，确定术前坐标系并转正图像。将关节假体的一组3D模型加载系统中，允许医生将所需关节假体模型放置到骨骼解剖结构的3D模型中，调整关节假体的位置和方向，以实现关节假体与骨骼的术前优化配合。例如，根据获取的CT或MRI图像，将股骨和胫骨感兴趣区域(ROI)的骨骼表面提取出来，并用图像分割处理算法把股骨和胫骨分离开，成为两个独立3D模型。另外，可通过标记出关键骨性标记点分别确定出股骨和胫骨的坐标系，并基于坐标系进行转正。然后，可通过股骨冠状位、矢状位、横断位、胫骨冠状位、矢状位、横断位的六个视角，提供在以上六个视角下对关节假体上下、左右平移，以及顺时针和逆时针的旋转等操作，实现将关节假体放到合理的位置，确保力线角度和关节间隙合理，关节假体型号大小合适。

在术中规划中，需要进行配准并对术前规划进行确认和调整。配准是建立虚拟3D模型与真实骨骼之间的匹配。目前用于膝关节的一种配准方法是直接利用术中CT对手术区域进行扫描，直接通过术中3D重建获得术中的骨骼三维图像，在此基础上进行手术规划调整及导航。这种配准方法需要购买术中用CT，且对手术床等手术场景有特殊要求。另一种配准方法是利用光学导航仪，用探针在骨骼表面取多个点，并可通过旋转股骨推算出股骨头球心。该方案通过点云配准算法，分别实现股骨和胫骨关节表面的精确配准。例如，可先进行六个标记点的粗略配准，然后进行多点的精细配准，最后对配准结果进行校验。该方案通过算法获取术中的真实力线，包括对股骨头中心的要求、标记出骨性标记点，从而确定股骨髁中心、胫骨平台中心以及踝穴中心。股骨头中心和股骨髁中心确定一个线段，胫骨平台中心和踝穴中心确定一个线段，两个线段的夹角在冠状面上的投影即为力线夹角。然后，可根据真实位置和力线，调整关节假体的位置，确定规划方案。当然，在手术进行过程中，还可根据实际情况进一步调整规划方案。

确定了最终的规划方案后，规划方案的执行将决定关节置换的效果。因此，需要一种系统和方法，尽量精确、安全地执行规划方案，达到预期手术效果。

在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本申请提供一种用于初次全膝关节置换手术操作的截骨执行系统、定位方法、控制方法及模拟执行方法，能够改善关节置换手术操作的执行效果和效率。

本申请的其该用户特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本申请的实践而习得。

根据本申请的一方面，提供一种用于初次全膝关节置换手术操作的截骨执行系统，所述执行系统包括：人机交互装置；手术机器人，包括机械臂；截骨引导器，固定于所述机械臂的操作端，用于在进行全膝关节置换的截骨操作时对截骨工具进行定位与引导，所述截骨引导器具有容置所述截骨工具的通槽；下肢跟踪系统，用于获取股骨、胫骨的位置数据；截骨引导器跟踪系统，用于获取所述截骨引导器的位置数据；上位控制器，与所述人机交互装置、所述手术机器人、所述下肢跟踪系统、所述截骨引导器跟踪系统通信连接，所述上位控制器配置为：在置换手术操作各阶段响应用户利用人机交互装置的操作分别从多个截骨平面中选定一个截骨平面，所述多个截骨平面包括第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面以及第六截骨平面；根据置换手术操作的规划数据、下肢的位置数据、及所述截骨引导器的位置数据，在置换手术操作过程中，控制所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。

根据一些实施例，所述下肢跟踪系统包括：股骨示踪器，用于固定于患者股骨部位；胫骨示踪器，用于固定于患者胫骨部位；导航相机，用于获取所述股骨示踪器和所述胫骨示踪器的空间位置信息。

根据一些实施例，所述截骨引导器跟踪系统包括：截骨引导示踪器，设置于所述机械臂；所述导航相机，用于获取所述截骨引导示踪器的空间位置信息。

根据一些实施例，所述截骨引导示踪器包括：基座，具有多个第一示踪面和至少一个第二示踪面，所述多个第一示踪面位于所述基座侧面，所述至少一个第二示踪面位于与所述基座侧面相交的端面或台阶面；多组示踪元件，分别设置于所述多个第一示踪面和所述至少一个第二示踪面，各组示踪元件分别包括至少三个不共线的示踪元件。

根据一些实施例，所述示踪元件包括红外发射器，各组示踪元件中的红外发射器的发光面的法线方向一致。

根据一些实施例，截骨执行系统还包括：可移动框架，所述人机交互装置和所述上位控制器设置于所述可移动框架。

根据一些实施例，所述导航相机通过连接臂设置于所述可移动框架。

根据一些实施例，所述截骨引导器的通槽包括第一通槽和与所述第一通槽交叉的第二通槽。

根据一些实施例，截骨执行系统还包括：下肢固定器，设置于手术台，用于固定患者的下肢。

根据一些实施例，所述下肢固定器包括：安装部，用于设置到手术台的床边导轨上；支撑导轨，安装在所述安装部；足滑块，可滑动地固定在所述支撑导轨上；足夹具，设置在足滑块上，用于固定患者足部。

根据一些实施例，所述下肢固定器还包括：腘窝架，可拆卸地安装在所述支撑导轨的后端，用于支撑腘窝；和/或绑线架，可拆卸地固定在所述足夹具上，用于绑缚弹性绳来固定手术拉钩。

根据一些实施例，所述上位控制器还配置为：更新规划数据；响应用户利用人机交互装置的操作从多个截骨平面中选定另一个截骨平面；根据更新的规划数据、所述下肢的位置数据、及所述截骨引导器的位置数据，在置换手术操作过程中，引导所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的所述另一个截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。

根据一些实施例，所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面、第六截骨平面分别为股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面、胫骨截骨平面中的一个。

根据本申请的另一方面，提供一种用于初次全膝关节置换手术操作的定位方法，包括：固定患者下肢；在人机交互装置的交互界面上，从多个截骨平面中选定第一截骨平面，从而手术机器人的机械臂被引导使得固定于所述机械臂操作端的截骨引导器的通槽与所述第一截骨平面对准并且所述截骨引导器定位于相应规划位置；在人机交互装置的交互界面上，从多个截骨平面中选定第二截骨平面，从而手术机器人的机械臂被引导使得固定于所述机械臂操作端的截骨引导器的通槽与所述第二截骨平面对准并且所述截骨引导器定位于相应规划位置。

根据一些实施例，所述第一截骨平面、第二截骨平面为股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面、胫骨截骨平面中的两个。

根据一些实施例，利用下肢固定器固定患者下肢。

根据本申请的另一方面，提供一种用于初次全膝关节置换手术操作的控制方法，用于控制手术机器人，所述手术机器人具有机械臂，所述机械臂的操作端固定截骨引导器，所述控制方法包括：获取第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面、第六截骨平面的规划数据；获取下肢的位置数据；获取截骨引导器的位置数据；响应用户在人机交互界面上的操作分别从多个截骨平面中选定一个截骨平面，所述多个截骨平面包括第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面及第六截骨平面；根据所述规划数据、所述下肢的位置数据、及所述截骨引导器的位置数据，引导所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。

根据一些实施例，所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面、第六截骨平面分别为股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面、胫骨截骨平面中的一个。

根据一些实施例，上述控制方法还包括：更新规划数据；响应用户在人机交互界面上的操作从多个截骨平面中选定另一个截骨平面；根据所述更新的规划数据、所述下肢的位置数据、及所述截骨引导器的位置数据，在置换手术操作过程中，引导所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的所述另一个截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。

根据本申请的另一方面，提供一种用于初次全膝关节置换手术操作的模拟执行方法，所述模拟执行方法包括：获取第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面、第六截骨平面的规划数据；在人机界面中定位并显示股骨和胫骨；在人机界面中定位并显示机械臂，所述机械臂前端设置有截骨引导器；基于所述规划数据，在人机界面中模拟引导机械臂，使得所述截骨引导器到达规划位置且所述截骨引导器的通槽与所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面、第六截骨平面中选定的其中一个平面对准。

根据一些实施例，所述截骨引导器包括第一通槽和与所述第一通槽交叉的第二通槽。

根据一些实施例，所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面和第六截骨平面分别为股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面、胫骨截骨平面中的一个。

根据一些实施例，模拟执行方法还包括：更新规划数据；基于所述更新的选定截骨平面的规划数据，在人机界面中模拟引导机械臂，使得所述截骨引导器到达更新的规划位置且所述截骨引导器的通槽与相应选定截骨平面对准。

根据本申请的另一方面，提供一种电子设备，包括：一个或多个处理单元；存储单元，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现前述的一个或多个方法。

根据本申请的另一方面，提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现前述的一个或多个方法。

根据示例实施例，使截骨引导器可拆卸地固定连接到机械臂，控制机械臂移动达到规划位置，从而医生可以利用截骨引导器的通槽手动执行截骨。这样，可在执行阶段实现多个截骨平面的机器人辅助截骨。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。

图1A示出根据本申请示例实施例的用于初次全膝关节置换手术操作的机器人辅助系统的组成示意图。

图1B示出根据示例实施例的截骨执行系统的系统框图。

图1C示出股骨的多个截骨平面的示意图。

图1D示出执行到某一截骨面时的交互界面。

图2示出根据本申请示例实施例的截骨引导器的示意图。

图3示出根据示例实施例的可设置于手术机器人机械臂上的截骨引导示踪器。

图4a示出根据本申请示例实施例的下肢固定器的分解示意图。

图4b示出根据本申请示例实施例的下肢固定器的组装示意图。

图5示出根据本申请示例实施例的用于初次全膝关节置换手术操作的定位方法。

图6示出根据本申请示例实施例的用于初次全膝关节置换手术操作的控制方法。

图7A示出根据示例实施例的用于初次全膝关节置换手术操作的模拟执行方法。

图7B示出模拟过程的一个界面。

图8示出根据本申请示例实施例的电子设备的框图。

图9示出根据另一实施例的截骨执行系统的系统框图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。

附图中所示的方框图不一定必须与物理上独立的实体相对应。可以采用软件、或在一个或多个硬件模块和/或可编程模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在初次全膝关节置换手术中，在完成术中规划后，一般采用两种方式完成对膝关节平面的切削。一种方式是利用手术规划数据通过机械臂定位并将切削导向装置钉在患者股骨和胫骨上，然后利用切削导向装置对患者的胫骨截骨平面及股骨远端截骨平面进行切削，然后以股骨远端截骨平面为基础，医生对患者膝关节的其他截骨平面使用股骨四合一截骨工具进行手动切削。另一种方式是利用手术规划数据，利用机械臂对患者膝关节的截骨平面进行定位并手控半自动切削。在前一种方法中，由于仍需将切削导向装置固定在患者股骨上，对患者造成会二次伤害。另外，这种方法只对胫骨截骨平面以及股骨远端截骨平面进行手控自动切削。对于后一种方法，发明人认为，手控半自动切削方式由于是以人为辅，机器为主，虽然系统可采取各种安全措施防止意外发生，但复杂的算法需要另一套冗余系统，且仍然存在一定不可预测的风险。而且，由于以人为辅，机器为主，医生对手术操作过程缺少足够感觉和反馈，难以发挥医生在手术中的能动作用。

因此，本发明人提出一种执行方案，使截骨引导器固定连接到机械臂，控制机械臂移动达到手术规划位置，从而医生可以利用截骨引导器的通槽手动执行截骨。这样，可在执行阶段实现多个截骨平面的机器人辅助截骨。

以下结合附图对本申请的示例实施例进行说明。应当理解，此处所描述的示例实施例仅用于说明和解释本申请，并不用于限定本申请。

图1A示出根据本申请示例实施例的用于初次全膝关节置换手术操作的机器人辅助系统的组成示意图。

根据示例实施例，用于初次全膝关节置换手术的机器人辅助系统可包括上位控制器101、人机交互装置103、手术机器人105、扫描探针140、截骨引导器107、下肢示踪器1090、截骨引导示踪器1111、扫描探针140以及导航相机1093。

根据示例实施例，上位控制器101分别与人机交互装置103、手术机器人105及导航相机1093通信连接，接收人机交互装置103及导航相机1093传送的信息，并向人机交互装置103、手术机器人105及导航相机1093发送相关信息或指令。

在一些实施例中，上位控制器101还与扫描探针140、截骨引导器107、下肢示踪器1090、截骨引导示踪器1111等通信连接，例如控制这些部件的启用等。

截骨引导示踪器1111可设置于所述机械臂1051。根据示例实施例，截骨引导示踪器1111一端连接手术机器人105的机械臂1051的操作端，另一端设置有截骨引导器107。截骨引导器107可引导截骨工具对股骨、胫骨进行截骨操作。截骨引导示踪器1111可设置红外发射器或者反光球等示踪元件。导航相机1093包括光学传感器，可以接收截骨引导示踪器1111的示踪元件发出的信号。

根据示例实施例，下肢示踪器1090可包括分别设置在股骨和胫骨上的股骨示踪器1091和胫骨示踪器1092。股骨示踪器1091和胫骨示踪器1092可示出下肢的位置，并与导航相机1093配合，采集下肢的位置信息。导航相机1093将上述信息发送至上位控制器101。上位控制器101确定下肢的位置，将其作为规划机械臂的手术路径的依据，并对膝关节及各截骨平面进行定位。

机器人辅助系统可划分为截骨规划系统和截骨执行系统。截骨规划系统可包括术前规划系统和术中规划系统。易于理解，截骨规划系统及截骨执行系统可具有一些共享的组成部分，例如上位控制器101、人机交互装置103等。术前规划系统和术中规划系统能够分别制定术前规划和术中规划，并将术中规划传送到截骨执行系统，以进行正确的截骨操作。

术前规划系统用于制定术前规划。首先，用户(工程师)将假体制造商提供的假体数据(3-D计算机辅助设计模型)加载到术前规划系统，并将导入从医院获得的患者的计算机断层摄影(CT)或磁共振成像(MRI)图像数据集。然后，根据获取的CT或MRI图像，将股骨和胫骨感兴趣区域(ROI)的骨骼表面提取出来，并把股骨和胫骨分离开，成为两个独立的3D模型。在3D模型上预生成用于后续图像配准的配准点和校验点(可以是骨性标志点)。将所需关节假体模型放置到骨骼解剖结构的3D模型中。确定出股骨和胫骨的坐标系并转正图像，并基于坐标系对股骨和胫骨三维图像进行骨性标记点识别。调整关节假体的位置和方向，以实现关节假体与骨骼的术前优化配合，在此基础上得到术前规划。

根据示例实施例，通过术前规划得到的数据可包括关节假体型号等假体数据以及初步的截骨方案等。假体数据进一步包括关节假体的三维模型数据及其与人体解剖学相应的空间定义。

术中规划系统用于确定实际执行的截骨方案，包括通过关节假体与患者骨骼模型的三维规划生成的与规划的关节假体相匹配的空间位置、截骨平面以及最终形成的截骨工具的手术路径。截骨工具的手术路径根据截骨平面数据、下肢示踪器1090获得的膝关节位置信息、截骨引导示踪器1111获得的截骨引导器107的位置信息确定。

术中规划系统首先将术前规划中转正的膝关节图像与患者膝关节图像进行图像配准。具体地，将术前规划图像与患者膝关节表面轮廓进行图像配准。例如，在手术中，医生使用扫描探针140的针尖点触膝关节一些位置，比如骨性标志点。导航相机1093跟踪扫描探针140上的示踪元件，从而示出所点触的位置。根据本申请的一个示例实施例，通过点云配准算法，分别实现股骨和胫骨关节表面的精确配准。图像配准之后，根据示例实施例，获取连续屈伸角度下的膝关节动态间距力线数据，计算下肢连续屈伸角度下的间距和力线角度。例如，可通过下肢示踪器1090和导航相机1093采集并记录膝关节的运动轨迹信息。接着，可根据动态间距力线数据可视化调整假体规划。根据示例实施例，医生可以通过可视化显示界面，交互调整假体位置，直至动态间距力线数据信息达到医生的要求为止。通过下肢示踪器1090和导航相机1093，可采集膝关节的位置信息。导航相机1093将上述信息发送至上位控制器101，上位控制器101确定膝关节的位置，其将作为规划机械臂的手术路径的依据。这样得到的实际执行的截骨方案可包括与规划的关节假体相匹配的空间位置及其截骨平面。

图1B示出根据示例实施例的用于初次全膝关节置换手术操作的截骨执行系统。

参见图1B，截骨执行系统可包括上位控制器101、人机交互装置103、手术机器人105、截骨引导器107、下肢跟踪系统109、以及截骨引导器跟踪系统111。根据一些实施例，截骨引导器107不可拆卸地固定于机械臂1051的操作端。根据另一些实施例，截骨引导器107可拆卸地固定于机械臂1051的操作端，参见图9所示的截骨执行系统。

如图1A和1B所示，手术机器人105包括机械臂1051。截骨引导器107固定于所述机械臂1051的操作端，用于在进行全膝关节置换手术操作时对截骨工具进行定位与引导。截骨引导器107可采用已有产品或方案，也可采用根据本申请实施例的具有多通槽的截骨引导器，如后面将详细描述的。

根据本申请的技术构思，使截骨引导器107固定到机械臂1051，从而在控制机械臂105移动达到规划位置后，医生可以利用截骨引导器107的通槽手动执行截骨。

截骨引导器跟踪系统111用于获取所述截骨引导器107的位置数据。截骨引导器跟踪系统111可包括截骨引导示踪器1111和导航相机1093。股骨示踪器1091、胫骨示踪器1092和截骨引导示踪器1111可采用已有产品或方案，本领域技术人员对此应已熟知。

根据一些实施例，截骨引导示踪器1111也可采用根据本申请一些实施例的方案，如后面将详细描述的。

参见图1A，截骨执行系统还可包括可移动框架113，上位控制器101和人机交互装置103可设置于可移动框架113。所述导航相机1093通过连接臂115设置于所述可移动框架113。

如图1B所示，上位控制器101与所述人机交互装置103、所述手术机器人105、所述下肢跟踪系统109以及所述截骨引导器跟踪系统111通信连接。

人机交互装置103可用于在置换手术操作各阶段提供交互界面，从而用户(例如，医生)可分别从多个截骨平面中选定一个截骨平面。所述多个截骨平面可包括第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面及第六截骨平面。例如，所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面和第六截骨平面分别为股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面和胫骨截骨平面中的一个。图1C示出股骨的多个截骨平面的示意图。

根据一些实施例，截骨执行系统还可包括设置在截骨工具上的示踪器，例如红外反射器或其他示踪元件。导航相机1093通过截骨工具上的示踪器实时获取截骨工具的位置信息，并可在显示屏上实时显示截骨工具与患者骨骼之间的相对位置关系，从而以直观方式引导医生的截骨操作。

在一些实施例中，截骨工具在自由端安装有应变片传感器，上位控制器101利用应变片传感器采集截骨工具的弯曲变量值，并将其与预先存储的阈值进行比较。当变量值超出该阈值时，发出警告。通过设置应变片，能够确保正在操作的截骨工具的参数符合设定的精度要求，提高截骨准确性。

根据示例实施例，所述上位控制器101可配置为：在置换手术操作各阶段响应用户利用人机交互装置的操作分别从多个截骨平面中选定一个截骨平面；以及根据置换手术操作的规划数据、所述下肢的位置数据、及所述截骨引导器107的位置数据，在置换手术操作过程中，控制所述机械臂1051使得所述截骨引导器107的通槽与选定的截骨平面对准并使得所述截骨引导器107定位于相应规划位置。

根据示例实施例，参见图1A，人机交互装置103可包括触控屏，但本申请不限于此。根据一些实施例，人机交互装置103还可包括悬挂于连接臂115的显示屏，以使得医生在术中可更好的观察相关图像和操作界面，如图1D所示。

这样，根据示例实施例，在置换手术操作的执行阶段，医生可通过人机交互装置103选择截骨平面，在机械臂1051移动达到规划位置后，医生可以利用截骨引导器107的通槽手动执行截骨。然后，医生可通过人机交互装置103选择另一截骨平面。这样，通过在人机交互装置103上逐一选择截骨平面并执行切削操作之后，在执行阶段完成对多个截骨平面的机器人辅助定位截骨操作。

根据一些实施例，在完成一个截骨平面的切削之后，可根据情况对规划进行调整，对选定的截骨平面的规划数据进行更新。然后，根据更新的规划数据、所述下肢的位置数据、及所述截骨引导器的位置数据，在置换手术操作过程中，引导所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。

根据示例实施例的方案，无需将切削导向装置固定在患者股骨及胫骨上，不会对患者造成会二次伤害。而且，可完成对多个截骨平面的机器人辅助定位截骨操作，以人为主，机器为辅，医生对手术操作过程完全掌控，保证手术的安全性，并可充分发挥医生在手术中的能动作用。另外，这样的技术方案在实现上更简单，可以避免系统风险。

图2示出根据本申请示例实施例的截骨引导器的示意图。图2所示的截骨引导器可用于根据本申请的实施例的截骨执行系统。

参见图2，根据本申请实施例的截骨引导器107可包括第一通槽1071和与所述第一通槽1071交叉的第二通槽1073，但本申请不限于两个通槽。根据一些实施例，第一通槽1071与第二通槽1073可成90度，但本申请不限于此。在执行阶段，当第一通槽1071或第二通槽1073定位为与截骨平面对准时，医生可将截骨工具插入通槽中，手动执行截骨操作。第一通槽1071和第二通槽1073可设置于截骨引导器107的主体1070。

根据示例实施例，由于截骨工具可以放置于不同的通槽1071或1073内来实现不同方向和位置的截骨操作，故机械臂可以尽可能地保持较少的运动，并且占据的操作空间可以减小，对操作环境的要求也相应降低。另外，由于可以减少机械臂的运动幅度，使得示踪器在导航相机的空间内视角更好，可以提高机械臂末端的姿态精度。

根据一些实施例，截骨引导器107还可包括连接杆1075。连接杆1075与导向杆1075的一端连接，截骨引导器107可通过连接杆1075的另一端与手术机器人105的机械臂1051连接。

根据一些实施例，两个通槽1071和1073之间设置有向内凹陷的凹槽1077。根据一些实施例，凹槽1077的侧壁可设置多个标记点。

图3示出根据示例实施例的可设置于手术机器人机械臂上的截骨引导示踪器。

参见图3，根据示例实施例的截骨引导示踪器1111可包括基座301和多组示踪元件。

根据示例实施例，基座301可具有多个第一示踪面3011和至少一个第二示踪面3013。所述多个第一示踪面3011位于所述基座侧面，所述至少一个第二示踪面3013位于与所述基座侧面相交的端面或台阶面。

根据示例实施例，多组示踪元件分别设置于所述多个第一示踪面3011和所述至少一个第二示踪面3013。根据三点确定一个平面的原理，，组示踪元件303可分别包括至少三个不共线的示踪元件3031。示踪元件3031可包括红外发射器或反光球。各组示踪元件中的红外发射器的发光面的法线方向一致。

根据示例实施例，基座301的主体可大致为圆柱形或棱柱，包括与轴线基本平行的侧面，以及与侧面基本垂直的两个端面。此外，为了减小手术端的力矩，根据一些实施例，可将基座设置成由多个截面积递减的圆柱或棱柱相互连接而成的阶梯塔状。

如图3所示，基座301的一端手术机器人的机械臂连接。基座301的另一端可用于安装手术器械，例如前面描述的截骨引导器107，因此该端也可称为操作端(安装到机械臂上后，也可称为机械臂的操作端)。

根据一些实施例，第一示踪面3011可与基座301的轴线平行，但本申请不限于此。第二示踪面3013不限于平行于基座301的端面，也可以与基座301的端面呈一定角度。

根据一些实施例，第一和第二示踪面3011和3013还可设置有红外接收器和触发开关。红外接收器可接收导航相机发出的红外信号，使触发开关导通从而触发红外发射器发射红外信号。导航相机接收到红外发射器发射红外信号，并可根据红外信号源的排布形状，来确定此时对应的示踪面。上位控制器可根据示踪面与机械臂之间固定的位置关系进行换算，可以在医疗坐标系统中确定截骨引导器的空间位置。

根据一些实施例，示踪面上可包括四个红外发射器，上位控制器可利用第四个红外发射器验证另外三个红外发射器所在平面的坐标位置。

传统示踪器多为平板状定位组件，主要是由示踪元件固定在平板上构成。平板状定位组件通过支架固定在机械臂上会形成较大的突出结构，手术前需要对该部件进行无菌处理，使得术前准备步骤较多，准备时间较长。根据本申请的示踪器抛弃平板，将红外发射器直接固定在基座上。相对于传统的板状示踪面，本实施例为将示踪面设置在无菌罩内提供了基础，从而可以减少手术操作步骤，减少手术时间。

可选地，示踪面不限于向基座内凹的形式，也可以外凸于基座周面。

根据一些实施例，基座设计成棱柱形状，这样可以避免在圆柱表面加工示踪面，减少机械加工，节省成本。

对于本申请示例实施例的示踪器，当导航相机与基座轴向平行或夹角小于30°时，可以通过第二示踪面使得导航相机清晰准确的确定到机械臂位置，避免手术过程中由于机器人前端定位失效导致的手术失败，避免手术过程中因为机械臂示踪器与导航相机法向相差过大而导致的精度下降，降低医患风险。

图4a示出根据本申请示例实施例的下肢固定器的分解示意图。图4b示出根据本申请示例实施例的下肢固定器的组装示意图。根据示例实施例的下肢固定器可设置于手术台102的床边导轨上，可用于在术中对患者的下肢进行固定，以更精准地完成定位和截骨操作。易于理解，也可采用其他形式的下肢固定装置，根据示例实施例的下肢固定器并非是对本申请的限制。

根据一些实施例，安装部401可以为例如床轨夹头，可设置到手术床的床边导轨上。支撑导轨403可安装在安装部401上，用于支撑足滑块405。根据示例实施例，支撑导轨403可通过快拆结构安装在安装部401上。

参见图4a和4b，根据示例实施例，支撑导轨403具有突出部4033，用于安装到安装部401上。支撑导轨403还可具有用于固定足滑块405的固定孔4031。

根据示例实施例，所述安装部401包括第一容置部4013、固定部4015和套设部4017。

第一容置部4013与所述突出部4033配合并容置所述突出部4033，从而将支撑导轨403安装到安装部401。例如，如图4a和4b所示，第一容置部4013可为具有顶部开口及正面开口和正面阻挡壁的矩形结构，突出部4033可从顶部开口插入从而容置在第一容置部4013内。

固定部4015用于固定所述突出部4033。如图4a和4b所示，固定部4015可为卡扣结构，从第一容置部4013的正面固定插入的突出部4033，而但本申请不限于此。

套设部4017用于套设于床边导轨1131从而将所述下肢固定器设置到手术床113。例如，如图4a和4b所示，套设部4017可为具有左右两侧开口及及正面开口和正面阻挡壁的矩形结构，从而套设部4017可通过左右两侧开口套设在床边导轨1131上。

参见图4a和4b，根据示例实施例，足滑块405可滑动地固定于支撑导轨403上。根据示例实施例，足滑块405可包括结合部4051、第一销4053。

结合部4051可结合于所述支撑导轨403，从而使足滑块安装于支撑导轨403，并可沿支撑导轨403滑动足滑块405以调整足滑块405在支撑导轨403上的位置，从而调整膝关节的屈伸角度(例如，60°)。例如，结合部4051可为封闭或具有开口的套管形式，形状上可与支撑导轨403匹配。第一销4053可设置于所述结合部4051，以与所述支撑导轨403的固定孔4031啮合，从而使足滑块4051在所需位置固定。易于理解，足滑块405也可以采用其他形式安装于支撑导轨403。

根据示例实施例，足滑块405还包括承载主体4055及设置于承载主体4055的球铰结构4057。所述球铰结构4057具有安装孔40571，以用于安装足夹具407。球铰结构4057可在任意方向上调整，有利于足夹具407进行方向和角度调整。

参见图4a和4b，根据示例实施例，所述足夹具407具有轴部4071，所述轴部4071可插入球铰结构4057的安装孔40571中，从而将所述足夹具407安装于所述足滑块405。

足滑块405和足夹具407组合后可具有多个自由度并可通过螺钉或卡扣等装置锁定，因此可将足部固定在屈伸、内外旋的任意组合位姿上。这样，通过足滑块405在支撑导轨403上的滑动及球铰结构4057的转动，可将足部和下肢调整在一个合适的位姿，从而将整条腿固定在一个合适的位姿，以方便手术。

根据示例实施例，在使用时，胫骨可借助足夹具407通过诸如绑带等固定。患者可躺在手术床上，股骨借助身体自重被骨盆固定。这样，三点可形成稳定结构。

根据该示例实施例的下肢固定器，结构简单，易于操作，不会给医生带来过多额外的负担。另外，由于需要的操作空间较小，不会影响手术操作。通过应用下肢固定器，可以很好地在术中固定患者下肢，从而能够对患者的多个截骨平面进行精准的机器人辅助截骨。

根据一些实施例，如图4a和4b所示，下肢固定器还可包括腘窝架409。腘窝架409可拆卸地安装在所述支撑导轨403的后端，可在手术时支撑腘窝。根据一些实施例，腘窝架409可通过快拆结构安装在支撑导轨403的后端。

根据示例实施例，腘窝架409可包括竖杆4091、横杆4093及连接部4095。

参见图4a和4b，竖杆4091具有高度可调节结构，例如收缩杆结构。竖杆4091顶端可具有水平孔，从而横杆4093可插设于所述水平孔。横杆4093可从左端或右端插入竖杆4091顶端的水平孔，从而在手术中通过横杆4093从下方向上支撑腘窝。另外，在需要更多操作空间时，横杆4093也可从水平孔中抽出。

连接部4095位于所述竖杆4091底端，用于连接到所述支撑导轨403的后端。连接部4095可具有销，插入支撑导轨403的后端后，销可与支撑导轨403的后端处的孔啮合以固定腘窝架409。

根据一些实施例，如图4a和4b所示，下肢固定器还可包括绑线架411。绑线架411可拆卸地固定在足夹具407上。绑线架411可用于在手术中绑缚弹性绳来固定手术拉钩。所述绑线架411具有多个线槽4115以用于绑缚弹性绳。

根据示例实施例，足夹具407可具有第二容置部4073及设置于所述第二容置部4073的第二销4075，绑线架411具有通孔4113，从而所述绑线架411可穿设于所述第二容置部4073，并且第二销4075与所述通孔4113配合以固定所述绑线架411。

根据一些实施例，如图4a和4b所示，下肢固定器还可包括延长导轨413。延长导轨413可通过例如快拆结构连接于支撑导轨403的前端，用于在半长床上在膝关节伸展后支撑足部(半长床小腿和足部是空的)。

图5示出根据本申请示例实施例的用于初次全膝关节置换手术操作的定位方法。图5所示方法可利用前述截骨执行系统实现。

参见图5，在S501，固定患者下肢。在进入术中操作后，可利用前述下肢固定器将患者的下肢固定在手术台102上，避免下肢产生大的晃动和不稳定性，从而可更精准地完成后面的膝关节置换手术操作。

在S503，在人机交互装置的交互界面上，从多个截骨平面中选定第一截骨平面，从而手术机器人的机械臂被引导使得固定于所述机械臂操作端的截骨引导器的通槽与所述第一截骨平面对准并且所述截骨引导器定位于相应规划位置。例如，在交互界面上，医生可根据术前规划和现场情况，决定要执行的第一截骨平面。在选定截骨平面之后，前述截骨执行系统将自动控制机械臂1051将截骨引导器107引导至规划位置，且截骨引导器的通槽与第一截骨平面对准，从而医生可用截骨引导器107的通槽手动执行截骨。例如，第一截骨平面可以为股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面和胫骨截骨平面中的一个。

在完成对第一截骨平面的切削后，在人机交互装置的交互界面上，根据术前规划和现场情况，医生可决定接下来要执行的第二截骨平面。在选定第二截骨平面后，前述截骨执行系统将自动控制机械臂1051将截骨引导器107引导至新的规划位置，且截骨引导器的通槽与第二截骨平面对准，从而医生可用截骨引导器107的通槽手动执行截骨。例如，第二截骨平面可以为股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面和胫骨截骨平面中的另一个。以此类推，经过多次类似的操作，可完成初次全膝关节置换手术操作中截骨引导器107相对于多个截骨平面的定位以及据此的截骨操作。

图6示出根据本申请示例实施例的用于初次全膝关节置换手术操作的控制方法。

图6所示控制方法可用于控制前述手术机器人105完成定位操作。所述手术机器人105具有机械臂1051，所述机械臂1051的操作端可拆卸地固定截骨引导器107。

参见图6，在S601，获取第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面和第六截骨平面的规划数据。如前面所描述的，在术前规划阶段及术中调整阶段，在完成执行规划后，可得到规划数据，包括截骨平面数据及截骨引导器的定位数据。

在S603，获取下肢的位置数据。例如，通过将股骨示踪器和/或胫骨示踪器固定到患者的股骨和/或胫骨，利用导航相机可捕捉示踪器的位置，进而可由此获得下肢的位置数据。

在S605，获取截骨引导器的位置数据。如前面所描述的，通过设置在机械臂1051上的示踪器，例如截骨引导示踪器1111，利用导航相机可捕捉示踪器的位置，进而可由此获得截骨引导器107的位置数据。

在S607，响应用户在人机交互界面上的操作分别从多个截骨平面中选定一个截骨平面，所述多个截骨平面包括第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面及第六截骨平面。例如，所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面和第六截骨平面分别为股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面和胫骨截骨平面中的一个。

在S609，根据所述规划数据、所述下肢的位置数据、及所述截骨引导器的位置数据，引导所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。

根据示例实施例，当截骨位置确定后，通过机器人截骨运动规划策略以及逆解空间的选择策略，可以为医生提供优化的操作空间，为机器人提供可靠的操作空间和运动策略，保障手术的成功。

根据一些实施例，在一个截骨平面的执行结束之后，还可对执行规划进行调整，并更新规划数据；并响应用户在人机交互界面上的操作从多个截骨平面中选定另一个截骨平面。然后，根据所述更新的规划数据、所述下肢的位置数据、及所述截骨引导器的位置数据，在置换手术操作过程中，引导所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的该另一个截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。

图7A示出根据示例实施例的用于初次全膝关节置换手术操作的模拟执行方法。图7B示出模拟过程的一个界面。图7A所示的模拟执行方法可用于前述截骨执行系统模拟执行规划方案。

参见图7A，在S701，获取第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面和第六截骨平面的规划数据。根据示例实施例，基于数据接口或数据共享，可获取手术的规划数据。

在S703，在人机界面中定位并显示下肢。根据示例实施例，可利用从下肢跟踪系统获取的下肢位置数据，在人机界面中定位并显示下肢。

在S705，在人机界面中定位并显示机械臂，所述机械臂前端设置有截骨引导器。根据示例实施例，可利用从截骨引导器跟踪系统获取的截骨引导器的位置数据，在人机界面中定位并显示机械臂及机械臂前端设置的截骨引导器。

在S707，基于所述规划数据，在人机界面中模拟引导机械臂，使得所述截骨引导器到达规划位置且所述截骨引导器的通槽与所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面和第六截骨平面中选定的其中一个平面对准。根据模拟过程，医生可检查置换手术操作的规划，确认在机械臂移动过程中不会与其他物体发生干涉或碰撞，同时，也对机械臂的定位进行核验。

利用根据示例实施例的模拟执行方法，可以对置换手术操作的整个过程有一个清楚的了解，保证手术的安全。

根据示例实施例，如果在术中对规划做了调整，可以更新规划数据。然后，基于所述更新的选定截骨平面的规划数据，在人机界面中模拟引导机械臂，使得所述截骨引导器到达更新的规划位置且所述截骨引导器的通槽与相应截骨平面对准。

图8示出根据本申请示例实施例的电子设备的框图。

下面参照图8来描述根据本申请的这种实施方式的电子设备800。图8显示的电子设备800仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图8所示，电子设备800以通用计算设备的形式表现。电子设备800的组件可以包括但不限于：至少一个处理单元810、至少一个存储单元820、连接不同系统组件(包括存储单元820和处理单元810)的总线830等。

存储单元820存储有程序代码，程序代码可以被处理单元810执行，使得处理单元810执行本说明书描述的根据本申请各实施例的方法。

存储单元820可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(RAM)8201和/或高速缓存存储单元8202，还可以进一步包括只读存储单元(ROM)8203。

存储单元820还可以包括具有一组(至少一个)程序模块8205的程序/实用工具8204，这样的程序模块8205包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。

总线830可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。

电子设备800也可以与一个或多个外部设备8001(例如触摸屏、键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备800交互的设备通信，和/或与使得该电子设备800能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口850进行。并且，电子设备800还可以通过网络适配器860与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器860可以通过总线830与电子设备800的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备800使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

本申请实施例还提供一种计算机程序产品，该计算机程序可操作来使计算机执行如上述方法实施例中记载的部分或全部步骤。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请的技术方案可借助软件和/或硬件来实现。本说明书中的“单元”和“模块”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，其中硬件例如可以是现场可编程门阵列(Field－ProgrammaBLE GateArray，FPGA)、集成电路(Integrated Circuit，IC)等。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本申请实施例进行了详细描述和解释。应清楚地理解，本申请描述了如何形成和使用特定示例，但本申请不限于这些示例的任何细节。相反，基于本申请公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。

通过对示例实施例的描述，本领域技术人员易于理解，根据本申请实施例的技术方案至少具有以下优点中的一个或多个。

根据一些实施例，使截骨引导器可拆卸地固定连接到机械臂，控制机械臂移动达到规划位置，从而医生可以利用截骨引导器的通槽手动执行截骨。这样，可在执行阶段实现多个截骨平面的机器人辅助截骨。另外，无需将切削导向装置固定在患者股骨上，不会对患者造成会二次伤害。

根据一些实施例，通过对多个截骨平面进行机器人辅助定位截骨操作，以人为主，机器为辅，医生对手术操作过程完全掌控，保证手术的安全性，并可充分发挥医生在手术中的能动作用。另外，这样的技术方案在实现上更简单，可以避免系统风险。

根据示例实施例，截骨引导器可包括第一通槽和与所述第一通槽交叉的第二通槽。这样，截骨工具可以放置于不同的通槽内来实现不同方向和位置的截骨操作，故机械臂可以尽可能地保持较少的运动。而且，占据的操作空间可以减小，对操作环境的要求也相应降低。另外，由于可以减少机械臂的运动幅度，使得示踪器在导航相机的空间内视角更好，可以提高机械臂末端的姿态精度。

根据一些实施例，将红外发射器直接设置在基座上。相对于传统的板状示踪面，这为将示踪面设置在无菌罩内提供了基础，可以减少手术操作步骤，减少手术时间。

根据一些实施例，第二示踪器包括两组不同类型示踪面，当导航相机与基座轴向平行或夹角小于30°时，可以通过第二示踪面使得导航相机清晰准确地确定到机械臂位置，避免手术过程中由于机器人前端定位失效导致的手术失败，避免手术过程中因为机械臂示踪器与导航相机法向相差过大而导致的精度下降，降低医患风险。

根据一些实施例，通过应用下肢固定器，可以很好地在术中固定患者下肢，从而能够利用根据本申请实施例的截骨执行系统对患者的多个截骨平面进行精准的机器人辅助截骨。

根据一些实施例，利用模拟执行方法可以对置换手术操作的整个过程有一个清楚的了解，保证手术的安全。

以上具体地示出和描述了本申请的示例性实施例。应可理解的是，本申请不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本申请意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (25)

1.一种用于初次全膝关节置换手术操作的截骨执行系统，其特征在于，所述执行系统包括：

人机交互装置；

手术机器人，包括机械臂；

截骨引导器，固定于所述机械臂的操作端，用于在进行全膝关节置换的截骨操作时对截骨工具进行定位与引导，所述截骨引导器具有容置所述截骨工具的通槽；

下肢跟踪系统，用于获取股骨、胫骨的位置数据；

截骨引导器跟踪系统，用于获取所述截骨引导器的位置数据；

上位控制器，与所述人机交互装置、所述手术机器人、所述下肢跟踪系统、所述截骨引导器跟踪系统通信连接，

所述上位控制器配置为：

在置换手术操作各阶段响应用户利用人机交互装置的操作分别从多个截骨平面中选定一个截骨平面，所述多个截骨平面包括第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面以及第六截骨平面；

根据置换手术操作的规划数据、下肢的位置数据、及所述截骨引导器的位置数据，在置换手术操作过程中，控制所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。

2.根据权利要求1所述的截骨执行系统，其特征在于，所述下肢跟踪系统包括：

股骨示踪器，用于固定于患者股骨部位；

胫骨示踪器，用于固定于患者胫骨部位；

导航相机，用于获取所述股骨示踪器和所述胫骨示踪器的空间位置信息。

3.根据权利要求2所述的截骨执行系统，其特征在于，所述截骨引导器跟踪系统包括：

截骨引导示踪器，设置于所述机械臂；

所述导航相机，用于获取所述截骨引导示踪器的空间位置信息。

4.根据权利要求3所述的截骨执行系统，其特征在于，所述截骨引导示踪器包括：

基座，具有多个第一示踪面和至少一个第二示踪面，所述多个第一示踪面位于所述基座侧面，所述至少一个第二示踪面位于与所述基座侧面相交的端面或台阶面；

多组示踪元件，分别设置于所述多个第一示踪面和所述至少一个第二示踪面，各组示踪元件分别包括至少三个不共线的示踪元件。

5.根据权利要求4所述的截骨执行系统，其特征在于，所述示踪元件包括红外发射器，各组示踪元件中的红外发射器的发光面的法线方向一致。

6.根据权利要求2或3所述的截骨执行系统，其特征在于，还包括：

可移动框架，所述人机交互装置和所述上位控制器设置于所述可移动框架。

7.根据权利要求6所述的截骨执行系统，其特征在于，所述导航相机通过连接臂设置于所述可移动框架。

8.根据权利要求1所述的截骨执行系统，其特征在于，所述截骨引导器的通槽包括第一通槽和与所述第一通槽交叉的第二通槽。

9.根据权利要求1所述的截骨执行系统，其特征在于，还包括：

下肢固定器，设置于手术台，用于固定患者的下肢。

10.根据权利要求9所述的截骨执行系统，其特征在于，所述下肢固定器包括：

安装部，用于设置到手术台的床边导轨上；

支撑导轨，安装在所述安装部；

足滑块，可滑动地固定在所述支撑导轨上；

足夹具，设置在所述足滑块上，用于固定患者足部。

11.根据权利要求10所述的截骨执行系统，其特征在于，所述下肢固定器还包括：

腘窝架，可拆卸地安装在所述支撑导轨的后端，用于支撑腘窝；和/或

绑线架，可拆卸地固定在所述足夹具上，用于绑缚弹性绳来固定手术拉钩。

12.根据权利要求1所述的截骨执行系统，其特征在于，所述上位控制器还配置为：

更新规划数据；

响应用户利用人机交互装置的操作从多个截骨平面中选定另一个截骨平面；

根据更新的规划数据、所述下肢的位置数据、及所述截骨引导器的位置数据，在置换手术操作过程中，引导所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的所述另一个截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。

13.根据权利要求1所述的截骨执行系统，其特征在于，

所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面、第六截骨平面分别为股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面、胫骨截骨平面中的一个。

14.一种用于初次全膝关节置换手术操作的定位方法，其特征在于，包括：

固定患者下肢；

在人机交互装置的交互界面上，从多个截骨平面中选定第一截骨平面，从而手术机器人的机械臂被引导使得固定于所述机械臂操作端的截骨引导器的通槽与所述第一截骨平面对准并且所述截骨引导器定位于相应规划位置；

在人机交互装置的交互界面上，从多个截骨平面中选定第二截骨平面，从而手术机器人的机械臂被引导使得固定于所述机械臂操作端的截骨引导器的通槽与所述第二截骨平面对准并且所述截骨引导器定位于相应规划位置。

15.根据权利要求14所述的定位方法，其特征在于，

所述第一截骨平面、第二截骨平面为股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面、胫骨截骨平面中的两个。

16.根据权利要求14所述的定位方法，其特征在于，所述固定患者下肢，包括：

利用下肢固定器固定患者下肢。

17.一种用于初次全膝关节置换手术操作的控制方法，用于控制手术机器人，所述手术机器人具有机械臂，所述机械臂的操作端固定截骨引导器，其特征在于，所述控制方法包括：

获取第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面、第六截骨平面的规划数据；

获取下肢的位置数据；

获取截骨引导器的位置数据；

响应用户在人机交互界面上的操作分别从多个截骨平面中选定一个截骨平面，所述多个截骨平面包括第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面及第六截骨平面；

根据所述规划数据、所述下肢的位置数据、及所述截骨引导器的位置数据，引导所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。

18.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于，

所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面、第六截骨平面分别为股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面、胫骨截骨平面中的一个。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：

更新规划数据；

响应用户在人机交互界面上的操作从多个截骨平面中选定另一个截骨平面；

根据所述更新的规划数据、所述下肢的位置数据、及所述截骨引导器的位置数据，在置换手术操作过程中，引导所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的所述另一个截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。

20.一种用于初次全膝关节置换手术操作的模拟执行方法，其特征在于，所述模拟执行方法包括：

获取第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面、第六截骨平面的规划数据；

在人机界面中定位并显示股骨和胫骨；

在人机界面中定位并显示机械臂，所述机械臂前端设置有截骨引导器；

基于所述规划数据，在人机界面中模拟引导机械臂，使得所述截骨引导器到达规划位置且所述截骨引导器的通槽与所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面、第六截骨平面中选定的其中一个平面对准。

21.根据权利要求20所述的模拟执行方法，其特征在于，所述截骨引导器包括第一通槽和与所述第一通槽交叉的第二通槽。

22.根据权利要求20所述的模拟执行方法，其特征在于，

所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面和第六截骨平面分别为股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面、胫骨截骨平面中的一个。

23.根据权利要求20所述的模拟执行方法，其特征在于，还包括：

更新规划数据；

基于所述更新的选定截骨平面的规划数据，在人机界面中模拟引导机械臂，使得所述截骨引导器到达更新的规划位置且所述截骨引导器的通槽与相应选定截骨平面对准。

24.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求17-23中任一项所述的方法。

25.一种计算机可读介质，其特征在于，所述计算机可读介质上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现根据权利要求17-23中任一项所述的方法。

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